高層建筑樓梯間不同自然排煙方式對煙氣流動特征影響的數值模擬

丁厚成，余 點

(安徽工業大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

高層建筑發生火災時，當樓層較低或者疏散人數較多時，使用電梯疏散不利于總體疏散效率[1]，尤其是15層樓以下的高層建筑發生火災時，樓梯是最主要的疏散方式[2]。 在火災燃燒的猛烈階段，由于高溫狀態下的熱對流，煙氣沿樓梯間或其他豎向管井擴散的速度為3～4 m/s[3]，如果防火分隔或防火處理不好，再加上初期滅火失敗,那么在煙囪效應、浮力、風力的共同作用下，火勢將迅速擴大，煙氣加速蔓延，使高層建筑形成立體火災，嚴重威脅樓內人員生命和財產安全[4-5]。鑒于許多高層建筑的火災案例，人員在樓梯間排隊疏散時，會導致人體長時間接觸樓梯間的環境并受其影響[6]，因此在煙氣最大允許濃度內，將人員高效地疏散完畢是很有必要的。但要完成此項要求，須從以下兩個方面著手:一是控制樓梯間內煙氣和有害氣體的濃度，盡可能地減緩煙氣和有害氣體擴散的速度，降低煙氣和有害氣體的濃度。我國《建筑設計防火規范》[7](GB 50016—2014)中規定：除建筑高度超過50 m的一類公共建筑和建筑高度超過100 m的居住建筑外，靠外墻的防煙樓梯間及其前室、消防電梯間前室和合用前室，宜采用自然排煙方式；靠外墻的防煙樓梯間每5層內可開啟外窗總面積之和不應小于2.00 m2；排煙窗宜設置在上方，并應有方便開啟的裝置。自然排煙系統因其設備簡單、運行維護費用低、運行時無需電源等優點已被廣泛采用[8-11]。二是提高人員疏散效率，規劃高效的人員疏散路徑。應依據樓梯間內煙氣、有害氣體以及溫度的分布情況及其對人體造成的影響進行疏散路徑的規劃，同時增加消防設施等輔助設備來共同幫助人員進行快速疏散[12]。

基于以上兩點，本文以馬鞍山市某13層辦公樓為原型，對高層建筑樓梯間在自然排煙方式和火源高度不相同的情況下，以煙氣和CO為代表的有毒有害氣體的濃度和溫度的分布情況進行了數值模擬研究，得出了最佳的自然排煙的開窗方式，以為人員疏散及現場救援等決策提供參考。

1 模型的建立與火災場景的設計

1. 1 火災煙氣基本控制方程

高層建筑樓梯間內發生火災時煙氣的流動屬于湍流流動。FDS(Fire Dynamic Simulation)[12]火災仿真軟件是由美國國家標準研究所(NIST)和建筑與火災研究實驗室(BFRL)共同開發的產品，可以模擬火災湍流流動的過程，并利用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S(Navier-Stokes)方程，其計算重點是火災情況下的煙氣和熱傳遞的過程。因此，本文采用FDS軟件對高層建筑樓梯間內發生火災時煙氣的流動特征進行了數值模擬。煙氣流動的持續變化過程可通過以下控制方程[14-15]進行描述：

連續性方程：

?ρ?t+(ρu)=0

(1)

動量守恒方程：

ρ(?ρ?t+(u·)u)+p=ρg+f+·τ

(2)

能量守恒方程：

?(ρh)?t+·(ρhu)=?p?t+u·p-·qr+·kt+∑·hiρDiYi

(3)

式中：ρ為密度(kg/m3)；t為時間(s)；u為速度矢量(m/s);p為壓強(N/m2)；g為重力加速度(m/s2)；f為外部施加的力矢量(N)；τ為黏性力張量；h為焓(kJ)；qr為熱輻射通量(kW/m2)；k為導熱系數[W/(m·K)]；下標i為第i種組分；hi為第i種組分的焓(kJ)；Di為第i種組分的擴散系數(m2/s)；Yi為第i種組分的質量分數。

1. 2 樓梯間模型的建立

本文以馬鞍山市某辦公樓為例，該辦公樓共13層，層高3.5 m，凈高3 m，樓梯間踏步高0.2 m，樓梯間各部分具體尺寸見表1，室內初始溫度為20℃，運行時間為300 s。圖1為設計的該辦公樓樓梯間的簡化模型，展示了不同大小和位置的排煙窗、不同位置的火源以及樓梯間各部分的組成。

表1 樓梯間各部分尺寸

圖1 某13層辦公樓樓梯間簡化模型Fig.1 Model of the stairway of a 13-floor office building

1. 3 火災模擬場景的設置

本文設置的著火點熱釋放速率(HRR)為5 000 kW/m2，如圖1所示，在每層靠門方向，分別在距離樓梯前平臺高度1.5 m處各設置1個CO 氣體濃度監測裝置；在每層靠窗方向，分別在距離樓梯后平臺高度1.5 m處各設置1個溫度監測裝置，即熱電偶溫度探測器；在樓梯間中間位置每層各設置1個煙霧探測器；在火源上方設置熱釋放速率(HRR)監測裝置。

根據我國《建筑設計防火規范》[7](GB 50016—2014)中規定，靠外墻的防煙樓梯間宜采用自然排煙方式，且每5層樓開窗不得少于2 m2。熊筠等[16]采用理論加試驗的方式證明，5層樓中樓梯間開啟兩扇大小為1 m2的外窗應設置在第4、5層樓，排煙效果最佳，卻并未考慮只開啟一扇大小為2 m2的外窗的情況。因此，本文將討論以下8種工況發生時某13層辦公樓樓梯間的自然排煙狀況：

(1) 工況1：火源位置在第1層，在第4層、第5層、第9層、第10層分別設置1 m2外窗。

(2) 工況2：火源位置在第1層，在第4層、第5層、第9層、第10層、第11層分別設置1 m2外窗。

(3) 工況3：火源位置在第1層，在第5層、第10層分別設置2 m2外窗。

(4) 工況4：火源位置在第1層，在第5層、第10層、第11層分別設置2 m2外窗。

(5) 工況5：火源位置在第7層，在第4層、第5層、第9層、第10層分別設置1 m2外窗。

(6) 工況6：火源位置在第7層，在第5層、第10層分別設置2 m2外窗。

(7) 工況7：火源位置在第13層，在第4層、第5層、第9層、第10層分別設置1 m2外窗。

(8) 工況8：火源位置在第13層，在第5層、第10層分別設置2 m2外窗。

2 火災模擬結果與分析

2. 1 煙氣蔓延情況分析

圖2、圖3、圖4分別為該辦公樓火源在底層(第1層)、中層(第7層)和頂層(第13層)時，各層的煙氣濃度蔓延趨勢,圖5為在模擬的300 s時間內該辦公樓樓梯間在不同火源位置時煙氣蔓延模擬效果圖。

圖2 某13層辦公樓底層著火時各層煙氣濃度擴散情況Fig.2 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the ground floor of a 13-floor office building 注：煙氣濃度表示每米狀態下煙氣蔓延充滿該樓層 空間的百分數。下同

圖3 某13層辦公樓中層著火時各層煙氣濃度擴散情況Fig.3 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the middle floor of a 13-floor office building

圖4 某13層辦公樓頂層著火時各層煙氣濃度擴散情況Fig.4 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the top floor of a 13-floor office building

圖5 某13層辦公樓樓梯間煙氣蔓延模擬效果Fig.5 Simulation picture of smoke spread at the stairway of a 13-floor office building

由圖2至圖5可見，當該辦公樓底層著火時，煙氣大約在130 s內快速蔓延到各層；當中層著火時，煙氣會在50 s左右快速蔓延到7層以上的樓層(包括7層)，而僅有很少的煙氣在300 s內蔓延到第7層以下的樓層，煙氣濃度基本上不會對人體造成威脅；當頂層著火時，煙氣在30 s左右快速蔓延到第12層和第13層，而在第11層僅有一小部分煙氣，在200s左右時才會迅速增長，很快達到最高濃度100%/m(即每米狀態下煙氣已經完全充滿該樓層，下同)，第11層以下的樓層煙氣濃度很低，基本上不會對人體造成威脅。

由此可見，火災發生的樓層越低，危害波及的范圍越廣，造成的危害也越大。

2.1.1 火源在底層

圖6至圖11分別為該辦公樓在工況1、2、3、4下不同樓層間煙氣濃度的對比圖。因為該辦公樓底層著火時，在各工況下第1層煙氣濃度均迅速上升，所以在此不做贅述。

圖6 某13層辦公樓在工況1～4下第3層樓煙氣濃度的對比Fig.6 Comparison of the smoke concentration on the 3rd floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

圖7 某13層辦公樓在工況1～4下第5層樓煙氣濃度的對比Fig.7 Comparison of the smoke concentration on the 5th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由圖6和圖7可見，該辦公樓第3層樓煙氣濃度擴散情況是：煙氣濃度均在50 s左右時開始急劇上升，大約在100 s后煙氣達到最大濃度100%/m；該辦公樓第5層樓煙氣濃度擴散情況是：煙氣濃度均在50 s左右時開始急劇上升，大約120 s后煙氣達到最大濃度100%/m。此外，由圖6可見，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況1時煙氣的上升趨勢略比其他工況快；由圖7可見，工況2時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況快。

圖8 某13層辦公樓在工況1～4下第7層樓煙氣濃度的對比Fig.8 Comparison of the smoke concentration on the 7th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

圖9 某13層辦公樓在工況1～4下第9層樓煙氣濃度的對比Fig.9 Comparison of the smoke concentration on the 9th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由圖8和圖9可見，該辦公樓第7層樓煙氣濃度擴散情況是：煙氣濃度均在100 s左右時開始急劇上升，大約225 s后煙氣達到最大濃度100%/m；該辦公樓第9層樓煙氣濃度擴散情況是：煙氣濃度均在125 s左右時開始急劇上升，大約300 s后煙氣達到最大濃度100%/m。此外，由圖8可見，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況2時煙氣的上升趨勢略比其他工況快；由圖9可見，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況2時煙氣的上升趨勢略比其他工況快。

圖10 某13層辦公樓在工況1～4下第11層樓煙氣濃度的對比Fig.10 Comparison of the smoke concentration on the 11th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

圖11 某13層辦公樓在工況1～4下第13層樓煙氣濃度的對比Fig.11 Comparison of the smoke concentration on the 13th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由圖10和圖11可見，該辦公樓第11層樓煙氣情況是：煙氣濃度均在150 s左右時開始急劇上升，大約300 s后煙氣達到最大濃度60%/m；該辦公樓第13層樓煙氣濃度擴散情況是：煙氣濃度均在100 s左右時開始急劇上升，大約300 s后煙氣達到最大濃度35%/m。此外，由圖10可見，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況4時煙氣的上升趨勢略比其他工況快；由圖11可見，工況4時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況1時煙氣的上升趨勢略比其他工況快。

由于煙氣的煙囪效應，致使頂層煙氣到達的速度略快，所以排煙窗要設置在上方，而窗戶面積大將有利于煙氣排出，但不宜過大，且窗戶數量也不宜過多，這是因為下方的窗戶排出的煙氣如果過多，由于煙氣的熱浮力，反而可能會從上方的窗戶再次進入樓梯間內，造成更為嚴重的后果。

該辦公樓在工況1、2、3、4下各層煙氣蔓延速度排序見表2。

表2 某13層辦公樓在工況1、2、3、4下各層煙氣蔓延速度的排序

注：表中Ⅳ表示煙氣蔓延速度最快；Ⅲ表示煙氣蔓延速度較快；以此類推，Ⅰ表示煙氣蔓延速度最慢。

由表2可見，該辦公樓底層(第1層)著火時，工況3即在第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，煙氣濃度蔓延速度最慢，排煙效果最佳；并且綜合經濟因素考慮，開設排煙窗最佳面積為2 m2，排煙窗最佳數量為1扇，否則由于煙氣向上流動以及橫向擴散的流動特性[17]，可能會產生反效果。

2.1.2 火源在中層

由圖3可見，該辦公樓火源在中層時，煙氣濃度只在第7層及以上樓層中蔓延，其中第7層煙氣濃度蔓延速度最快，第12層煙氣濃度蔓延速度最慢，而由于煙氣的煙囪效應，頂層煙氣濃度蔓延速度與第11層相似。

圖12為該辦公樓在工況5、6下第9、10、11、13層樓煙氣濃度的對比。

圖12 某13層辦公樓在工況5、6下第9、10、11、13層樓煙氣濃度的對比Fig.12 Comparison of the smoke concentration on the 9th,10th,11th and 13th floor of a 13-floor office building under the condition 5 to 6

由圖12可見，該辦公樓在工況6下第9層樓的煙氣濃度走勢，即工況6(9)曲線(表示工況6下第9層樓的煙氣濃度變化曲線，下同)比工況5的略緩，均在25 s左右煙氣開始蔓延，55 s左右煙氣濃度達到最大；第10層樓和第11層樓在兩種工況下煙氣濃度走勢相似，均在26 s左右煙氣開始蔓延，第10層樓在75 s時煙氣濃度達到最大，而第11層樓的煙氣濃度在110 s左右時達到最大；該辦公樓在工況6下的第13層樓的煙氣走勢比工況5的緩慢，均在26 s左右煙氣開始蔓延，130 s時煙氣濃度達到最大，但不同的是上升過程中工況6的煙氣濃度出現短暫下降之后始終低于工況5。綜合來看，由于煙氣向上運動的特性，工況6即火源在中層時，第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，煙氣濃度蔓延速度最慢，排煙效果最佳。

2.1.3 火源在頂層

由圖4可見，當該辦公樓頂層著火時，煙氣會快速蔓延到第12層樓和第13層樓，而在第11層樓僅有一小部分煙氣，在200 s左右時才會迅速增長。

圖13為該辦公樓在工況7、8下第11、12層樓煙氣濃度的對比。

圖13 某13層辦公樓在工況7、8下第11、12層樓煙氣濃度的對比Fig.13 Comparison of the smoke concentration on the 11th and 12th floor of a 13-floor office building under the condition 7 to 8

由圖13可見，大約在20 s時，煙氣開始迅速蔓延到第12層樓，并在55 s左右達到最大濃度100%/m，此時，工況7、8的煙氣濃度蔓延曲線走勢幾乎重合；約在195 s時，煙氣迅速蔓延到第11層樓，并在230 s左右達到最大濃度100%/m，此時，工況8煙氣濃度蔓延曲線走勢比工況7要緩，并且在200 s以內時，第12層樓的煙氣濃度要遠遠小于第11層的煙氣濃度，這是由于煙氣的煙囪效應造成的煙氣流動特性，可以對其加以利用。綜合來看，由于煙氣向上運動的特性，工況8即該辦公樓火源在頂層時，第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，煙氣濃度蔓延速度最慢，排煙效果最佳。

根據上述已得出的結論：該辦公樓火源發生在底層時，火災危害最大。所以在此主要考慮發生火災時危害最大的情況，即火源在底層時的情況，選取兩種代表工況，即工況1、3來對該辦公樓樓梯間CO濃度和溫度的分布進行模擬分析。

2. 2 CO濃度分布情況分析

結合《建設工程性能化消防設計與評估導則》，本次選定模擬場景的安全判據為：1.5 m高度上CO濃度(以體積分數表示)不超過0.003[18]。

圖14為該辦公樓在工況1、3下第1、2層樓CO濃度(體積分數)的對比。

圖14 某13層辦公樓在工況1、3下第1、2層樓CO濃度的對比Fig.14 Comparison of the smoke concentration on the 1st and 2nd floor of a 13-floor office building under the condition 1 and 3

由圖14可見，該辦公樓在工況1、3下第1、2層樓在模擬時間界限內沒有超出安全臨界值0.003，這可能是由于燃燒比較充分，并未產生大量未完全燃燒產物，如CO；第1層樓的CO體積分數在兩種工況下相差無幾，但總體來說，工況1的CO平均體積分數和最大體積分數普遍高于工況3；130 s前，第2層樓的CO體積分數在工況3下明顯低于工況1，在130 s之后，升高趨勢相近。綜合來看，工況3優于工況1，即該辦公樓火源在底層時第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，排煙效果好。

2. 3 溫度分布情況分析

結合《建設工程性能化消防設計與評估導則》，本次選定模擬場景的安全判據為：1.5 m高度上溫度不超過60℃[18]。

圖15為該辦公樓在工況1、3下第1、2層樓溫度的對比。

圖15 某13層辦公樓在工況1、3下第1、2層樓溫度的對比Fig.15 Comparison of the temperature on 1st and 2nd floor of a 13-floor office building under the condition 1 and 3

由圖15可見，該辦公樓工況1(1)曲線在第1層樓的溫度大約在30 s時超過安全臨界值，第2層樓的溫度大約在76 s時超過安全臨界值；第1層、第2層兩層樓在兩種工況下溫度相差無幾，升高趨勢相同；第2層樓的溫度遠遠低于第1層樓的溫度，所以就溫度而言，著火樓層對人員的危害最大。但總體來說，工況1下的平均溫度和最高溫度普遍高于工況3，即該辦公樓火源在底層時，第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，排煙效果好。

因為著火樓層溫度會在30 s左右就達到安全臨界溫度，并且持續升高，所以在第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的排煙窗，且還要按照相關規范設置其他防火救火設施，以保證人員財產安全。

3 結 論

本文通過數值模擬的方法研究了某高層建筑發生火災時，樓梯間采用自然排煙方式時的開窗方式以及煙氣流動特征，得到如下結論：

(1) 若著火位置位于樓梯間中層之下，煙氣則會迅速地向建筑物上部蔓延；若著火位置位于樓梯間中層之上，煙氣則會向上層快速蔓延，在中性面之下的部位會比較安全。即當高層建筑發生火災時，著火樓層越低，對人員疏散與救援造成的危害越大。

(2) 當高層建筑樓梯間采用自然排煙的方式時，每5層樓在樓層上方設置一扇面積為2 m2的排煙窗的排煙效果要優于在上方連續兩層樓各設置一扇面積為1 m2的排煙窗。

(3) 由于煙氣向上流動的特性以及煙氣引發的浮力等因素，并且綜合考慮經濟因素，每5層樓在樓層上方開設排煙窗最佳面積為2 m2，排煙窗最佳數量為1扇。

(4) 在模擬的300 s時間內，各工況下的CO濃度(體積分數)均未超過安全臨界值，而著火樓層的溫度大約在30 s超過安全臨界值。所以，在人員疏散與救援中應避免通過著火樓層或者增加輔助設施來安全通過著火樓層。

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